（通信与信息系统专业论文）drm数字调幅广播系统中ofdm和信道估计的研究与实现.pdf

摘要 数字技术极大地改变了广播电视的面貌，成熟的数字处理技术已广泛地应用 于各种广播电视节目采集、制作及播出系统。d r m 组织顺应形势的需要，制定 了数字调幅广播的国际标准，该标准涵盖了3 0 m h z 以下调幅广播波段的长波 ( l f ) 、中波( m ) 和短波( 脏) ，播出效果可以达到调频广播的质量等级，解决了信 号的衰落问题，可以在短波广播的覆盖区域提供高质量、多样化的数字多媒体节 目，并由此吸引了全世界的目光。 d r m 采用o f d m 信道调制技术，提高了频带利用率，降低了多径效应引起 的频率选择性衰落、多普勒频移等干扰，可以在无线信道中实现高速可靠的数据 传输。本论文对o f d m 传输系统进行了深入的研究，设计并在计算机中编程实 现了o f d m 解调模块，经调试达到d r m 系统标准要求，最后成功将其移植到 t m s 3 2 0 6 4 1 6 开发板上。 由于d r m 传输信道的时域和频域响应是多变的，数据要可靠传输就必须采 用信道估计方法实时跟踪信道响应的变化。d r m 系统采用基于导频辅助的信道 估计方法( 有线性插值、加窗f f t 和维纳滤波三种算法) 来实现信道估计功能，三 种算法当中以维纳滤波算法最佳，但相应的运算量也很高“。论文中给出了三 种算法的理论分析和程序实现框图，在计算机中编程实现并测试正确。 论文最后根据d r m 系统数据处理过程设计了各功能模块的结构和信息反馈 方式，在计算机中实现了整个接收机系统。对接收系统的各个模块进行测试分析， 从分析结果中可以看出同步、信道估计、信道解码和a a c 音频解码约占用整个 程序执行时间的9 0 ，其中又以同步和信道估计时间约占用整个程序执行时间的 6 0 ，此为系统的性能瓶颈所在。如果将来能开发出针对这些处理的专用芯片， 将会大大提高整个接收系统的接收时间和处理效率，有助于将来d r m 接收机硬 件的设计。 关键词：d r m 数字调幅广播o f d mf f t 信道估计维纳滤波导频 a b s t r a c t a tp r e s e n t , d i g i t a lt e c h n o l o g yh a si m p r o v e db r o a d c a s tt vg r e a t l y , w h i c hi s 丽d e l ya p p l i e di nc o l l e c t i n g ，t a i l o r i n ga n db r o a d c a s t i n gt vp r o g r a m s a l o n gw i t h d i g i t a lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t , d r mo r g a n i z a t i o nm a k e sd i g i t a la mm o d u l a t i o n p r o t o c o l ，w h i c hi sf i tf o rl f 、m fa n d i - i fw a v eb a u du n d e r3 0 m h z i ti sa sg o o da s f m ，w h i c hs o l v e ss i g n a lm u l t i p a t hf a d i n ge f f e c ta n ds u p p l i e sv a r i o u sg o o dd i g i t a l p r o g r a m si nt h er a n g eu n d e rl et h e w h o l ew o r l dw i l lf o c u so nd r m d r ma d o p t so f d ms y s t e m , w h i c hi m p r o v e st h ef r e q u e n c yb a n du t i l i t y , d e c r e a s e st h ef r e q u e n c ys e l e c t i v ef a d i n gc a u s e db ym u l t i - p a t he f f e c t , a n dw a k e n st h e d o p p l e rs h i f t i tc a no b t a i nr e l i a b l e d a t at r a n s m i s s i o ni nt h eh j 曲s p e e d o f d m s y s t e mi nd r m h a sb e e nc a r e f u l l yd e s i g n e da n di m p l e m e n t e di nt h ec o m p u t e r , f i n a l l y t r a n s p l a n t e di n t ot m s 3 2 0 c 6 4 16c h i pe v a l u a t i o nb o a r ds u c c e s s f u l l y d u et ot h et i m ea n df r e q u e n c ys e l e c t i v ev a r i a n to ft h ec h a n n e le n c o u n t e r e do n d r mt r a n s m i s s i o n s ，t h ec h a n n e lh a st ob ee s t i m a t e dc o n t i n u o u s l ya n di t si n f l u e n c eo n t h ed a t at r a n s m i s s i o nc o u l db ee l i m i n a t e d t h i si sd o n eb yu s i n gt h ek n o w ns c a t t e r e d p i l o t st r a n s m i t t e di nt h eo f d ms i g n a l o u rd r ms y s t e ma d o p t sl i n e a ri n t e r p o l a t i o n ， w i n d o w e df f t i n t e r p o l a t i o na n dw i e n e ri n t e r p o l a t i o n ，i nw h i c hw i e n e ri n t e r p o l a t i o n i st h eb e s tb u tr e q u i r e saf a i r l yh i g hp r o c e s s i n gp o w e r “t h ep a p e ra n a l y z e st h o s e a l g o r i t h m sa n di m p l e m e n t st h e mi nt h ec o m p u t e r a tl a s t ，t h ep a p e rd e s i g n st h em o d u l es t r u c t u r ea n dt h ef e e d b a c km e t h o db e t w e e n m o d u l e s ，i m p l e m e n t st h ed r m r e c e i v e ri nt h ec o m p u t e r a tt h es a m et i m e ，s o m e p e r f o r m a n c ee v a l u a t i o nr e s u l t so ft h ei m p l e m e n t e dd r mr e c e i v i n gs y s t e m a r e p r e s e n t e dt oe s t i m a t et h et i m eo fe a c hp a r to ft h es y s t e ma n df i n do u tt h a tt h e s y n c h r o n i z a t i o n ，c h a n n e le s t i m a t i o n ，c h a n n e ld e c o d e ra n da a c d e c o d e ro c c u p y9 0 o ft h ew h o l et i m ew i t ht h es y n c h r o n i z a t i o na n dc h a n n e le s t i m a t i o no c c u p y i n g6 0 w h i c hi st h eb o a l e n e c ko ft h ed r mr e c e i v e rs y s t e m f r o mt h er e s u l t , w ec a l ls e et h a t i ft h ed r ms y s t e mu s e ss p e c i a lc h i p sf o rt h o s em o d u l a t i o n s ，i tw i l lr e d u c et h el o a d a n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h es y s t e mg r e a t l y i th e l p st h en e x td e v e l o p m e n to ft h e r e c e i v i n gs y s t e mo nc h i p k e yw o r d s ：d r m ，a m ，o f d m ，f f t , c h a n n e le s t i m a t i o n , w i e n e rf i l t e r , p i l o t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得丕鲞苤堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：屯 即签字日期：m 吵年 月竹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞鲞盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：电钥尸 导师签名： 文。汗军 签字日期：姒岬年石月心日签字日期：2 叩7 年占月，妒日 第一章绪论 1 1d r m 系统产生的背景 第一章绪论 广播是人类在社会实践中日益增长的对信息的需求与现代科学技术相结合 的产物。但是随着科技的进步和人们需求的提高、f m 调频波段广播节目的增多 和电视的普及，以及卫星广播和因特网等新兴传播手段的出现等因素，传统的 a m 模拟广播处境日益艰难。寻找调幅广播的出路，使之适应时代的要求已经迫 在眉睫。随着数字化发展的大趋势，调幅广播数字化势在必行。到目前为止，最 为成熟而且已成为国际标准的就是d r m 数字调幅广播技术，它能够显著的提高 音质，大大降低发射机的功耗，同时能够保证在现有波段的基础上实现平滑过渡。 1 1 1 调幅广播( a m ) 1 9 世纪末2 0 世纪初，一些国家的科学技术工作者利用无线电波传送声音的 实验相继成功。1 9 2 0 年1 1 月2 日，美国匹兹堡k d k a 电台正式开播，成为历史 上第一个商业电台。尔后各个国家也陆陆续续建立自己的广播电台，并实现商业 化。1 9 2 2 年底，英国广播公司( b b c ) 也在伦敦正式开播。在我国1 9 2 2 年底，美 国记者奥斯邦为推销无线电器材，在上海开办“中国无线电公司”，成为我国境 内的第一座电台“。 当时采用的广播技术就是调幅技术0 蝴) 。众所周知，要把广播节目传送到听 众那里，不论是通过无线电、电缆还是卫星，都必须用节目信息对高频振荡( 载 波) 进行控制，而所谓调幅技术( a m ) 就是用节目信息来控制高频振荡的幅度，也 就是说高频振荡的幅度变化表示的是节目信息。 到目前为止3 0 m h z 以下的长、中、短波广播大部分采用的都是模拟调幅技 术( a m ) ，a m 技术以其技术简单、实现简便、价格低廉以及接收性能好等特点 在上个世纪得到了广泛的运用，据不完全统计目前在用的a m 接收机就有2 0 亿 台u 。，不仅价格便宜，规格更是具有世界通用性。 1 1 2 中短波广播需要数字化 a m 调制虽然简单，但是抗干扰能力差，尤其是在短波波段经常出现干扰。 一方面由于发射功率高、声音质量差而且业务模式单一，吸引力日益降低；另一 第一章绪论 方面随着人们欣赏水平的提高和日益丰富的数字多媒体节目，致使它发展不景 气，听众数量下降。 中短波广播数字化，首先可以明显改善声音质量，其次可以通过附加数据， 例如电台名称和替换频率等，使得接收机的操作更加简便，再次业务模式多样化， 不光可以传递语音信号，而且还可以同时发送数据包以及图片，增强中短波广播 的吸引力”。 中短波广播数字化，从能量利用角度优点同样突出。现今模拟a m 中短波广 播发射机功率都很大，运行费用相当高。其中很大一部分能量是用于载波发射的， 这对于信号本身不但没有好处，而且造成巨大的电磁污染。数字化之后可以大大 的节约发射功率，在保持相同覆盖范围情况下，发射功率起码可以降低6 d b 3 1 。 中短波广播数字化，从频率资源利用来看也是势在必行的。由于中、短波广 播覆盖范围大、传送距离远和具有良好的快速移动接收特性等优点，一直以来被 世界各国作为基本的信息传播技术，尤其是在地域广阔、人口密度低的地区覆盖 以及对外广播等方面都是首选的传播手段。但是a m 广播存在着传输质量差、业 务单一和易被干扰等技术缺点，不能完全发挥此频谱的作用，国际的一些专家们 也正在讨论a m 广播在此频谱划分的问题，因此a m 广播想要谋求出路，数字 化势在必行”。 中短波广播数字化带来的好处是多方面的：对于听众来说，除了得到良好的 声音质量和接收机操作、使用简便外，还可以得到如文本、图片等数据服务。对 于广播机构来说，在振兴a m 广播的同时，也可以通过数字广播开展增值业务， 降低运营费用。对于设备制造商而言，数字化带来了新的市场机遇，新的市场开 辟会有良好的市场回报。 1 2 数字声音广播 在数字声音广播方面不光只有数字调幅广播( d r m ) ，同时还主要有卫星数字 声广播、数字音频广播( d a b ) 其它两种方式。其中数字卫星广播主要针对大面积 覆盖、边远地区和人烟稀少地区，对长途客运、航运、火车等集体移动接收业务 有较好前景；数字音频广播( d a b ) 在移动接收以及开展数据和多媒体业务方面具 有突出优点，还可以大大降低发射功率，对本地业务特别适合，传输在超短波段， 即当今的f m 波段；而数字中短波广播( d r m ) 贝j j 适用于远距离覆盖，且具有较好 的音质，传输在中短波波段，即当今a m 波段。 2 第一章绪论 1 2 1 卫星数字声广播h 世广卫星系统是由世广卫星集团投入巨资创建的，是目前全世界唯一的为全 球提供数字音频和多媒体卫星直播业务的卫星系统。它经历了四个阶段：无压缩 的数字卫星广播( d s r ) 、阿斯特拉卫星数字声音广播( a d r ) 、卫星数字音频广播 ( d a b ) 和世广卫星数字声广播( w o r l d s p a c e ) 。 世广卫星数字声广播系统由3 颗同步轨道卫星组成，分别称为“亚洲之星”、 “非洲之星”和“美洲之星”，其中“亚洲之星 不但覆盖了全部中国领土，还覆盖 了蒙古、日本、俄罗斯、朝鲜、韩国、台湾、香港和澳门等国家和地区。在世广 系统支持下，人们可以通过轻巧的便携式接收机，直接接收由卫星传送的音频节 目以及高速传输的图像、文字、数据、软件等多媒体数据。 卫星广播系统由地球同步卫星、广播上行站、数字接收机及地面控制运营网 络组成。广播流程如下： i 、电台的信号上行可以通过传统的“总站”方法来实现，即各电台将信号传 给一个中心站进行处理，然后再从这里统一传输给卫星的透明转发器部分。另一 种方案是选择采用更小、更方便的上行馈送站传输给卫星，然后通过卫星上的处 理转发器将这些不同的信号转换成单一的下行信号发送回地面。 2 、卫星转发器向地面发送数字广播信号，实现广域覆盖。无论使用“总站” 还是“分站”上行方式，传输到用户端的信号都是完全一样的。 3 、地面广播接收机接收信号、播放节目。 卫星广播的特点是覆盖面积大，三颗星可覆盖整个南半球。传输质量高，使 用灵活，在世界任何地方，如山区、公海、森林都可以很清楚地收听节目都可以 很清楚地收听节目，可移动和固定接收性能都比较好。基础设施和运行费用比 d a b 和短波广播经济，接收系统比一般通信卫星接收系统简单、小巧、价廉。 1 2 2 数字音频广播( d a b ) h 。 d a b 数字声音广播，是以数字技术为基础，采用先进的音频数字编码、数据 压缩、纠错编码以及数字调制技术，对广播信号进行系列数字化的广播。听众利 用d a b 接收机收到更接近原始发送信息质量的节目内容。目前国际上有三种 d a b 系统：欧洲的尤里卡1 4 7 d a b 制式、美国的带内同频( i b o c ) d a b 制式和 日本的单套节目d a b 方案。我国采用的是欧洲的d a b 标准，它是由欧共体开 发的重大产业工程项目，1 9 9 5 年在欧洲正式投入运行。d a b 的特点是在传送具 有c d 质量的声音节目同时，还可以附加传送数据业务和多媒体广播( d m b ) 业务， 特别适用于城市内和高速移动的接收和开展多媒体业务。 3 第一章绪论 d a b 采用单频网( s f n ) 运行，所需的频谱宽度只为传统f m 广播的协，大幅 度的提高频率利用率，目前工作的频段是在4 7 m h z 3 0 g h z 。虽然现在f m 广 播占据着8 7 m h z - - 1 0 8 m h z 频段，但是随着数字化广播的普及，现今的大多数地 面d a b 广播最终将搬迁到这个频段之内全面取代现在的f m 广播。与现行f m 广播相比其优点在于：音质好( 可达c d 质量) ；有较强的抗多径干扰和在恶劣 环境下的接收能力，可保证高速移动状态下的接收质量，即使在每小时2 0 0 公里 行车速度的汽车上，可以比较满意地实现移动接收；发射功率小，覆盖面积大， 频谱利用率高，业务构成灵活，利用卫星和电缆还可大幅度加大广播的覆盖率， 投资效率明显提高。它是广播事业发展中一个新的里程碑。 目前国际上已形成包括d a b 系统、接收机、发射机和网络、附加数据传输 在内的四大系列标准，标准体系已经非常完善；欧洲各国、美国、加拿大、墨西 哥、澳大利亚及亚洲一些国家和地区，都已经制定出发展d a b d m b 广播的具 体时间表。 我国数字音频广播( d a b ) 试验已有较长的历史。“九五”期间，广东珠江三角 洲地区、京津塘地区的先导网就已经建立起来；2 0 0 2 年广东网开始尝试从简单 音频向包括音频、视频和多媒体广播( d m b ) 的过渡；2 0 0 3 年正式进行了数字多 媒体广播的商业化试验运作。 1 2 3 数字调幅广播h 。 数字调幅广播是针对3 0 m h z 以下的中、短波广播而开展的一项数字技术， 因研发该项技术的国际组织d r m ( d i 咖ir a d i om o n d i a l e ) 所制定的标准最为成 熟，并己成为国际标准，因此称之为d r m 数字调幅广播技术。 d r m 广播系统的源编码主要采用m p e g - 4 的先进声音编码0 蛆c ) 技术；数 据传输分三个通道，即主业务通道( m s c ) 、业务描述通道( s d c ) 和快速访问通道 ( f a c ) ：信道编码和调制采用卷积码多载波调s u ( c o f d m ) ：在时间和频率上都进 行交织处理。由于综合采用了许多最新的数字技术，中短波广播的声音质量得到 了显著提高，使3 0 m h z 以下的中短波广播焕发出了崭新的活力。d r m 广播系统 的优点主要包括：大幅度降低广播功率；显著提高调幅波段信号传送的音质：大 大提高调幅波段信号传送的可靠性；与模拟信号可以兼容传送，实现数字模拟信 号同播，逐步向全数字化过渡；充分利用现有中短波频率资源；对现有的中短波 发射机可以采用d r m 广播技术进行有限成本的改造：能够提供附加业务和数据 传输；支持单频网。 d r m 标准的技术成熟性在国外已经得到了公认，2 0 0 3 年欧洲已正式进行试 验播出。d r m 的主要缺点是要更换现有的收音机为专用数字接收机，目前国际 4 第一章绪论 上其接收机的大规模集成芯片还未研制出来，接收机成本过高，现在最低价格大 约在2 0 0 美元左右，在短期内难以启动市场。 对于d r m ，我国广电总局2 0 0 2 年已投资6 0 0 万元对数字调幅广播立项研究， 至2 0 0 3 年底已取得阶段性成果。广电总局将在跟踪实验的基础上，抓紧开展 d r m 广播的战略研究，解决d r m 在应用中可能出现的如安全播出、市场启动 等实际问题，进而制订出我国的技术体制、标准和相关政策，为将来进一步推广 做好准备。 1 2 4 ，j 、结 我国幅源辽阔，卫星数字声音广播是实现全国范围覆盖的最经济的办法。但 是它在移动接收方面，尤其是城市中的移动接收，因为有复杂的高楼大厦、空间 遮挡等情况，远不如d r m 移动接收性能好。另外一个方面，因为卫星播出目前 除世广的亚洲之星外，没有其它备份手段，存在安全播出的一定风险。而且它有 违目前的天空不开放原则。 对于d a b 系统，虽然能够提供高质量、双声道、多声道立体声广播。但它 是不能与现行广播制式兼容，听众得重新购置接收机，而且原有节目制作、传输、 发射系统均需更新，改动较大，耗资较多，同时接收机价格太高，一般听众难以 接受。 而d r m 系统，在提供高质量的音质同时，它与现行的广播制式兼容，无需 重新划分频带，同时还支持数模同播，有效地解决了模拟到数字的过渡问题。发 射系统只需要作简单的修改即可以发送d r m 节目，改动小，耗资低。只是接收 机端需要重新更换，但是随着大规模集成电路的发展，在不久的将来针对于d r m 接收的专有芯片的开发成功，d r m 接收机的价格将大大降低，可足够一般听众 承受。 d r m 技术成熟，已成为国际标准，而且是非专利的。将来很有可能成为国 际短波广播的统一标准，将来取代a m 广播势在必行。 1 3d r m 发展与现状 中短波波段对于无线电广播来说是很有用的，因为中短波广播的传输模式( 地 波和天波) 使得广播的覆盖面很大并可以到达偏远地区，使得国际广播成为可能， 所以说中短波广播是世界性的，尤其是短波广播。如果全世界使用统一的标准并 对短波频率统一规划和分配，既能保障良好的无线接口，又能拥有更广大的听众。 为选择合适的、统一的数字中短波系统，1 9 9 8 年3 月5 日，世界上二十多个知 5 第一章绪论 名的广播组织在中国广州签署了 d r m 谅解备忘录”，正式成立世界性数字中短 波广播组织d r m 。在这期间，d r m 也成为i t u ( 国际电联) 广播分部的成员。 经过紧张的工作，d r m 提出了中短波数字广播系统设计方案( 简称d r m 系 统) ，并于2 0 0 1 年4 月被i t u 作为正式的建议书。同年1 0 月d r m 系统被e t s i ( 欧 洲电信标准协会) 标准化，并于2 0 0 2 年3 月获得c ( 国际电工委员会) 的通过， 从此d r m 系统规范正式生效u ”。 1 3 1 国外d i 蝴研究状况怕。 2 0 0 1 年9 月，e t s i 公布了d r m 系统技术规范。同年在柏林的德国柏林电 子展上，d r m 系统首次进行试验演示与公众见面。有5 套不同的中波节目和2 套短波节目。作为网络运营商的t - s y s t e m s 与其d r m 伙伴t e l e f u n k e n 负责发射 机的制作，费劳霍夫集成电路研究所与c o d i n gt e c h n o l o g i e s 负责接收机的制作， 接收了m e g a r a d i o 、s f b 、s w r 、德国广播电台和德国之声等电台的d r m 广播 节目。除固定接收外，还在t - s y s t e m s 装备的汽车上，移动接收从5 个不同的发 射站点发来的d r m 节目。 在2 0 0 3 年1 月3 0 日，i e c ( 国际电工委员会) 给d r m 颁发了最高级别的通行 证，d r m 数字调幅广播系统成为世界标准。i e c 表决通过了标准 e c 2 27 2 i e d i ：d i g i t a lr a d i om o n d i a l e ( d r m 卜p a r t ：系统规范】。d r m 系统是经过严格的开 路试验、技术成熟的系统。d r m 系统是世界上唯一的非专利数字系统，可用于 短波、中波和长波，它可以使用已有的频率和带宽，是对中短波广播的重大改善。 d r m 系统充分考虑到了与i t u 现有的边界条件相一致以及与现有的模拟业务的 兼容，并保证了由模拟广播向数字广播的平滑过渡。 2 0 0 3 年6 月1 6 日，i t u 世界无线电行政大会在瑞士日内瓦城举行。期间， d r m 对全球进行第一次试播，这标志着3 0 m h z 以下广播新时代的开始，d r m 正式投入广播运行阶段。 德国一直走在d r m 数字化的前列。德国之声( d 哪首先开始对欧洲和中东进 行数字短波节目的广播，使用在葡萄牙s i n e s 的两个经过改造的发射机，用德语、 英语和阿拉伯语每天播出8 5 小时d r m 节目，服务区域对准中欧、东欧、南欧 和中东。d w 计划的第二步是对上述地区扩展节目时间和语种并为亚洲带来附 加的节目。为此，d w 在2 0 0 3 年改造在斯里兰卡a t r i n c o m a l e e 转播台的发射机， 使亚洲能够接收总共6 小时的日播节目，语言为英语、德语、孟加拉语、鸟而都 语、普什图语和达里语。 迄今为止，全球已经有7 0 多个广播商使用了中短波波段频率开始了d r m 的 直接广播，与此同时，在这些广播商的努力下，d r m 的发射设备和接收设备技 6 第一章绪论 术也日趋成熟完善，成本也逐渐下降，渐渐走向市场、走向用户。 1 3 2 国内d r m 的研究现状 从国外d r m 研究状况可以看到，世界对数字中短波的看法己基本一致，国 际电联已接受了相关标准，欧洲标准组织e t s i 已颁布了该标准。由于应用d r m 技术不会牵扯到对目前正在使用的频率重新划分的问题，我国也在积极开展中短 波数字化的研究和试验。 2 0 0 3 年8 月1 9 - - 2 6 日，我国国家广电总局无线局用t h a l e s 公司的d r m 激 励器和数字接收机。在海南8 7 1 台用t h a l e s 公司的一部5 0 0 k w 短波发射机，降 低功率至8 0 k w , 更换了低通滤波器电容，扩展了发射机带宽至4 0 k h z ，更换了 发射机5 块控制板和一台数字频率合成器，进行了频率合成器和发射机输出频谱 的调整，发射了d r m 短波信号。 2 0 0 3 年1 2 月2 0 0 4 年4 月在位于黑龙江省齐齐哈尔市的2 0 2 1 台采用不同的 频率分别向北京、香港和欧洲的巴黎等地进行了多次d r m 广播实验。短波a m 广播发射机功率5 0 0 k w ，d r m 广播发射功率1 8 0 k w ，广播频率为9 8 3 5 k h z 。 2 0 0 4 年9 月9 日1 5 日，江苏省广播电视总台中波发射台和法国泰雷兹公 司联合进行了中波数字广播d r m 实验。实验在江苏省南京市江东门发射台进 行。 2 0 0 5 年1 0 月，在天津召开的全国中波会议上，天津广播电视总局中波发射 台和法国泰雷兹公司联合进行了中波数字广播d r m 实验。实验是在天津市的杨 柳青发射台进行的。 作为一种新的数字声音广播系统，相比a m 技术，d r m 显著改善了声音的 接收质量，提供了多样化的附加数据业务，提高了频率利用率，大大降低了发射 功率，减少了发射机运营成本，尽管d r m 在我国的全面推广应用可能要经过漫 长的路程，但是d r m 技术最终会取代目前在短波、中波和长波中所使用的模拟 播音技术，其应用前景非常广阔。 1 3 3 本课题研究意义 与其它的数字广播及通信技术类似，随着d r m 技术的不断成熟、标准体制 的逐步确立，商业大众化成为人们一个关心的重要内容。 普及d r m 广播要解决好两个问题：第一，信号发射端，也就是说要有d r m 节目发射；第二，信号接收端，也就是说要有接收d r a m 信号的“收音机”。d r m 系统的优点之一在于传统的a m 高效率大功率发射机能通过简单技术改造重新 第一章绪论 使用，不需要重新购置新的发射设备u ”。信号发射端问题解决了，剩下一个信 号接收端问题。从国际上看，d r m 接收机的研制已经历了三个阶段，第一个阶 段是用于功能验证及系统测试目的接收机原型功能样机的研制。这一阶段比较有 代表性的接收机有法国t h a l e s 公司的t s w l 0 0 2 d 数字参考接收机、德国f h g 研 究所的软件接收机、英国b b c 研发部的接收机等。此类接收机目的只为了验证 d r m 系统，所以都比较笨重，不宜携带，而且功能弱，无法商用。第二个阶段 是在原型样机的基础上开发基于d s p + f p g a 形式一体化接收机，比较典型的有 德国c t 公司和b b c 、a f g 等公司联合研制的接收机。此类接收机功能较强， 但是体积较大，不宜携带，而且因为未采用专用芯片，开发成本较高，一台大概 在7 0 0 欧元左右。第三个阶段是采用专用d r m 模块的接收机，比较典型的是 c o d i n gt e c h - n o l o g i e s 公司与合作伙伴开发的u s bd r m 接收机数字世界旅 行者( d i g i t a lw o r l dt r a v e l l e r ) ，在阿姆斯特丹2 0 0 4 年9 月的国际广播大会( m e l 上展出，它是世界上第一个u s b 的d r m 接收机，此接收机功能强大，重量轻， 体积小，易携带，更重要的是价格已经下降到1 9 9 欧元。 虽然国外在d r m 接收机方面研究已有一定的成果，但是体积和耗电还是达 不到移动和便携式接收机的要求，而且成本也较高，要实现全部商用化还需要有 一定时间。因此，正是在这样的形势下，这为我国发展信息产业中的这一高新技 术、赶超国际先进水平提供了一个良好的机会。况且我国是调幅大国，潜在的市 场需求相当大，如果我们失去了这一机遇，不仅会丢掉d r m 的巨大市场，更是 失去一次发展电子信息产业的有利时机。 1 4 论文内容安排 本论文包括六章，第一章简述了课题背景和发展历史及应用现状，讲述了课 题研究的意义。第二章给出了d r m 系统的总体结构，以及所采用的主要技术。 第三章是d r m 系统中的o f d m 技术研究，阐述了d r m 中o f d m 调制的实现 方法以及相应的p c 和d s p 的实现和测试。第四章是d r m 系统中信道估计的研 究，讲述了d r m 中信道估计的实现原理和方法，同时给出了p c 的实现方案及 测试。第五章是d r m 系统整体软件设计，它给出了整个d r m 接收机软件系统 的设计方案，同时测试并分析各个模块的执行时间，找出了d r m 运算瓶颈，为 下一步硬件开发设计做好准备。第六章是总结与展望，总结个人所做的工作，给 出了下一步工作方向的建议。 第二章d r m 系统介绍 第二章d r m 系统介绍 d r m 广播的出现给中短波广播带来了希望，它利用了许多最新的数字技术， 大幅度地提高了所传送节目的声音质量( a a c + s b r ) ，有效地降低了信号传输的 误码率( m l c 多级编码1 ，大大地提高了频率利用率、增强了信号抗多径衰落特性 ( c o f d m ) ，而且提供了许多特性使得d r m 广播更人性化和更智能化，便于用户 的接受和使用。 本章首先介绍了d r m 整个系统结构，然后对d r m 的传输参数进行了分析， 并详细介绍了决定传输模式的两种参数系统，最后以d r a m 发射和接收框图为依 据，重点介绍了各个重要组成部分的工作原理和技术特点，同时做了一定的理论 分析。 2 1d r m 系统结构 d r m 系统主要包括源编码、复用、信道编码和o f d m 四大部分。图2 1 和 2 - 2 给出了完整的d r m 发射框图与接收框图副。 ! 常规保护 能量信道 口苎蚕p s e鲁黼斯i 滞缒虺i 。 扩散 呻 编码 1 交织酬一心b 保 源编码模块 帚 导频单 o 常规保护 器 元生成 o f 僚 苦 d 互m 口 萱 符 调 习 元 一 号 制； 映生 器 传 输 能量l 信道 f a c 射 成 1 言 信息- i ”7 骗码 扩散i - 编码 器 号 i 业务描述信道 ( s d c ) 信息 预编码能量信道 s d c 。 扩散 _ 编码 j f d m 模块 图2 1 基于d r m 标准的数字调幅广播发射系统结构 9 第二章d r m 系统介绍 图2 - 2 基于d r a m 标准的数字调幅广播接收系统结构 2 1 1d r m 系统三个逻辑信道 如图2 1 所示d r m 广播传输系统把传输的数据分为三个信道：主业务信道 ( m s c ) 、快速访问信道( f a c ) 和业务描述信道( s d c ) 。 主业务n 道( m s c ) ：它载有d r m 多路复用中包含的所有业务的数据。多 路复用可以实现1 4 个业务的复用，这些业务既可以是音频数据流，也可以是 常规数据流，还可以是音频数据流和常规数据流的集合流，具体组合方式可以通 过参数来设定。这些数据流可以被分配相同或不同的保护等级，从而实现相等差 错保护( e e p e q u a le r r o rp r o t e c t i o n ) 和不等差错保护( u e p u n e q u a le r r o r p r o t e c t i o n ) ，它们通过复用器的复合和处理后，形成一个信号进行传输，然后经 能量分配电路，最终送入信道编码器中进行编码。m s c 传输数据比特率取决于 调幅广播信道带宽和所选用的传输模式，一帧的时间长度为4 0 0 m s 。 快速访问信道( f a c ) 一。：用来传递发射端复用器所采用的复用业务组合方 式和信道编码的参数等信息。接收端可根据这些信息调整解复用器的参数，以解 调出各种传输业务，或者按照发射端的提示来改变接收频率重新搜索信号。f a c 一共占6 4 b i t s ，其中业务参数有4 4 b i t s ，信道参数有2 0 b i t s 。f a c 帧周期同样为 4 0 0 m s 。 业务描述信道( s d c ) ：它载有m s c 译码、相同数据的替换源搜索及复用业 务的归属等信息。s d c 的数据量根据频率占用方式的不同大小也不一样，它的 帧周期为1 2 0 0 m s 。 1 0 第二章d r m 系统介绍 2 1 2d r m 系统传输带宽 为实现从现有模拟a m 广播到d r m 数字广播的平滑过渡，d r m 标准不需 要对现有的频谱资源重新进行规划，充分利用了现有中、短波频谱资源。这样做 也可以与模拟信号传送兼容，实现同播，即在所规定的带宽内，同时传送模拟和 数字两种信号，两信道之间无相互干扰。 表2 1d r m 系统频率占用方式 7 】 频率占用方式 0l2345 信道带宽0 a q z ) 4 5591 01 8 2 0 a m 广播目前信道带宽为9 k h z 或1 0 k h z ，d r m 频率占用方式如表2 1 所示。 各个频率占用方式的作用为： 占用方式2 和3 是为了在此频率范围内完全替代原来的a m 广播。 占用方式0 和l 是为了同模拟a m 信号共同广播，各工作在原来频带的 一半。 占用方式4 和5 是在频率规划允许的条件下分配原来频带的两倍以提供 更大的传输容量，在此占用方式下音质可扶到c d7 k 平。 2 1 3d r m 系统传输参数 为了有效的抗多径传输( 天波传输中延迟可达几个毫秒) 和频率选择性衰落等 信道问题，d r m 系统采用了卷积码多载波调制，即c o f d m ，其中c 在c o f d m 中指前向纠错码，加入冗余信息帮助解决噪声以及衰落和传输信道的影响哺。 c o f d m 调制方式主要控制载波间隔和循环前缀长度( 保护时隙) 这两个参数， d r m 考虑到a m 广播所使用不同频段的传输特性，系统规定四种不同载波间隔 和保护间隔长度的健壮模式，以适应不同的信道传输条件，提供尽可能高的有效 码率。 表2 2d r m 系统健壮模式 7 】 键壮模式典型传播条件 a 有弱衰减的高斯信道 b 有长时延弥散的时间选择性与频率选择性信道 c 与键壮模式b 相同，但有大的多普勒弥散 d 与键壮模式b 相同，但有严重的时延和多普勒弥散 第二章d r m 系统介绍 表2 3d r m 系统各种健壮模式下o f d m 符号参数 2 撒强壮模式a 强杜撰式b强壮模式c 强壮撰式d r( u s )8 3l ，38 3l ，3 8 31 ，3 8 3l ，3 k m s )2 4 ( 2 8 9 d 2 11 30 5 6 01 42 30 7 6 t ) 91 3 ( 1 l m t ( m s ) 22 3 ( 3 2 1 )5l ，3 ( 6 4 1 )5i 3 ( 6 4 d7i 3 ( 8 8 1 ) k ，k i j l 91 4彰l l1 1 1 4 t 一k + t ( m s ) 2 62 ，3 2 62 l f 32 01 62 ，3 丁f ( m 5 ) 4 0 04 0 04 0 04 响 副戟渡间隔( i - l z )4 1 酪4 6 铝6 8 1 8l 叮1 4 占用带宽( 魁电) 4 5 6 ，9 ，1 1 8 ，2 0 4 5 s ，9 _ ，1 0 ，1 8 j 2 01 0 ，2 0i d ，2 0 戡浚总教 1 0 1 - 4 6 19 l - 4 l l1 3 8 2 8 0 8 9 - 1 7 8 o f d m 符号户i 专输帧1 51 52 02 4 o f 【) m 符号，s c c 块 2 233 s d c 教鼍毫cb 1 3 4 1 4 0 01 0 3 1 0 9 22 3 5 - 1 0 0 01 2 1 5 4 2 t1 0 翻；l 射吐嘲摹0 j ( 6 6 5 )( s 2 5 )( 4 7 0 )( m 2 ) m s c 戮餐车( 瞻6 2 - 7 1 94 g - 5 6 19 1 4 5 4& 0 3 0 6 l 田翻b ：扫q 圳j 码摹0 5 ) ( 2 6 固 ( 2 1 0 ) ( 1 6 6 )( 1 1 0 ) 推荐工作频段l f 。m f ( 日) l 、摩( 夜) - 阿 带瞪 每个载波以k 为序来表示，k 属于 k ，】，k 是最低频率的载波序 号， 是最高频率的载波序号，k = o 对应于发射基准频率的载波。载波间隔 a f 是符号有效期瓦的倒数( 鲈= 1 互) ，根据所使用的射频带宽，就可以计算出 载波总数k 。 o f d m 符号参数表示为： r 。：o f d m 符号持续期； ：o f d m 符号中有有效持续期； ：保护间隔持续期； l ：o f d m 符号组合的传输帧持续期； 2 2d r m 发射端信号处理模块 2 2 1 信源编码6 1 d r m 一个显著特点是不改变现有中短波广播的频率规划和频谱分配，实现 从a m 广播的平滑过渡，即d r m 的频带为9 k h z 和1 0 k h z 。中短波数字化之后 需要传输的数据量大大提高，这么高的数据量需要在有限的带宽上进行有效传 输，就必须要有一种高效的语音压缩技术。d r m 系统使用了m p e g 4 中的三种 高效信源编码方案，以适应在数字中短波广播中不同节目( 音乐语言) 的不同带宽 第二章d i 蝴系统介绍 的需要： ( 1 ) m p e g 4 子集a a c ( 先进音频编码) ，具有抗差错健壮性处理能力强，语音 压缩率高，一般用于普通单声道和立体声广播，在数据率为4 8 k b s 的情况下， 也可以得到如同f m 立体声一样的主观听觉质量。 ( 2 ) m p e g 4 子集c e l p ( 码本激励线性预测) 语音编码，用于单声道语音广播， 对很低比特率是很有效的，当数据率只有6 k b p s 的数据流也还是可以使用的( 有 很好的可懂性，尽管此时达不到f m 单声道质量) ，或者适合于在抗差错健壮性要 求较高的情况下的应用。 ( 3 ) m p e g 4 子集h v x c ( 谐波矢量激励编码) 语音编码，用于很低比特率和需 要较强的抗差错健壮性的单声道语音广播( 2 o k b s 和4 0 k b s 比特率自然语音 的压缩和编码) ，特别适合于基于语音数